WO2000039503A1 - Brenner zum betrieb eines wärmeerzeugers - Google Patents

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WO2000039503A1
WO2000039503A1 PCT/CH1999/000617 CH9900617W WO0039503A1 WO 2000039503 A1 WO2000039503 A1 WO 2000039503A1 CH 9900617 W CH9900617 W CH 9900617W WO 0039503 A1 WO0039503 A1 WO 0039503A1
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Klaus Doebbeling
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Alstom (Schweiz) Ag
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    • F23L2900/07002—Injecting inert gas, other than steam or evaporated water, into the combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to a burner for operating a heat generator according to the preamble of claim 1.
  • a hot gas is generated in a first high-pressure combustion chamber, preferably equipped with premix burners (cf. EP-0 321 809 B1), which flows after partial relaxation in a first high-pressure turbine into a second combustion chamber (reheat combustion chamber), in which the partially expanded hot gas is heated to the maximum turbine inlet temperature again, so that such a gas turbine is based on sequential combustion.
  • premix burners cf. EP-0 321 809 B1
  • reheat combustion chamber reheat combustion chamber
  • the so-called reheat combustion chamber has a configuration which is shown and described in more detail in documents EP-0 745 809 A1 and EP-0 835 996 A1, these documents also forming an integral part of this description.
  • This combustion chamber is of an annular configuration, and it essentially has a number of individual, adjacent transition channels, which the Form single burners of this combustion chamber.
  • These single burners have an almost rectangular cross-section, with the mixing of the fuel with the oxygen-containing partially released hot gas, hereinafter called combustion air, from the first turbine, via several longitudinal vortex generators, also called vortex generators, which are attached to the cooled walls of the mixing section and be cooled yourself.
  • These longitudinal vortex generators (cf. EP-0 745 809 A1) generate a flow separation and deflection on their surface, which ultimately leads to the formation of longitudinal vortexes.
  • the rectangular mixing channel is almost filled by several of these longitudinal vortices.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention is based on the object of eliminating the imperfections listed above in a premix burner of the type mentioned.
  • the mixing of the combustion air ie the partially relaxed hot gases and fuel, is accomplished in a round mixing section, which mixing section is filled by a single swirl flow.
  • a conical swirl generator or swirl generator blades consisting of several partial bodies are built into the still rectangular inlet cross-section, which swirl the combustion air.
  • the entry slots formed by the swirl generator blades or present between the individual partial bodies of the swirl generator are preferably of constant slot width, but they can have a variable slot width along their length.
  • Four inlet slots are preferably provided, but designs with a different number of slots are also possible.
  • Such a swirl generation largely corresponds to that according to DE-44 35 266 A1.
  • a difference to this swirl generation is that the swirl generator according to the invention is installed in an initially rectangular channel, which is converted over the length of the swirl generator into a channel with an approximately square or round cross-section, with care being taken to ensure a clean flow against the swirl generator inlet slots must, in order to avoid flow separation at best.
  • a fuel distribution system for gaseous and / or liquid fuels is integrated in the swirl generator, the fuel being distributed along the inlet slots, as can be seen from the last-mentioned publication, or through the trailing edges of the swirl generator blades or by axially injecting the fuel from the blade surface, whereby here is primarily about the injection of a low or medium calorific fuel (Lbtu, Mbtu). If necessary, the fuel can be enveloped in a cold carrier air stream or inert gas stream in order to avoid premature ignition of the fuel.
  • a low or medium calorific fuel Lbtu, Mbtu
  • Liquid fuels are advantageously injected at the upstream end of the swirl generator by means of several individual jets, it being shown here that it is extremely advantageous if the number of individual radiate with the number of inlet slots in the swirl generator or the number of swirl generator blades.
  • Liquid fuel must therefore be supplied off-axis, preferably through the multiple nozzle system already mentioned above.
  • the swirl generator blades In order to protect the swirl generator blades against oxidation attacks due to the hot inlet temperatures, they can either be made of a ceramic material and / or can be provided with internal air cooling.
  • the design and manufacture of the air-cooled swirl generator blades follows the rules known from the cooled turbine blades, but the heat transfer coefficients are significantly lower compared to rotor or guide blades in the turbine due to the lower flow velocities.
  • the flow is conducted in a cylindrical mixing tube.
  • the transition from the swirl generator to the mixing tube is to be designed in such a way that the flow cross-sectional area is almost constant and no detachments occur. This can be done either by a specially shaped transition piece or by immersing the swirl generator blades in the cylindrical channel. Another possibility is to provide the swirl generator blades with a cut-free trailing edge in the axial direction.
  • the length of the mixing tube is chosen so that the auto-ignition time of the selected fuels is not exceeded from the fuel injection to the end of the mixing tube. Depending on the size of the burner and depending on the selected burner pressure loss, the length of the mixing section can vary between zero and two burner diameters.
  • flame reignition barrier films can be introduced at a suitable point.
  • a differently designed tear-off edge can be attached, which stabilizes the boundary layer via the Conda effect due to a convexly curved end part and deflects the entire flow outwards.
  • this ensures that the flow in the combustion chamber is applied to the wall faster and decelerated faster, so that a turbulent flame front can occur.
  • part of the dynamic pressure is recovered in the sense of a diffuser effect.
  • the swirl strength can be set to such an extent that a backflow area arises on the axis downstream of the mixing section, but preferably the swirl strength should be so large that the flow downstream of the mixing pipe within a mixing pipe diameter on the axis only decelerates to speeds lower than the cross-section-average combustion chamber speed becomes.
  • the turbulent speed fluctuations generated during this lossy deceleration serve to stabilize the flame.
  • the fuel is supplied to the swirl generator by a fuel and cooling air supply that runs radially to the burner axis.
  • the swirl generator can be attached to the fuel feed and can be removed radially from the gas turbine with it, without the housing having to be lifted off.
  • the design of the mixing section according to the invention as a cylindrical tube minimizes the surface sensitive to the flashback, this reduces the cooling and film air required for non-return check and for cooling the wall and thus optimizes the overall process; b) that the inventive design of the mixing section as a cylindrical tube makes it possible to optimally fill the entire mixing section with a single longitudinal vortex; c) that the injection of the fuel along the inlet slots enables a good fine distribution, thereby minimizing the required mixing distance after the swirl generator; d) that the swirl is generated with little loss, ie, no separation areas and total pressure loss zones are generated with an inventive design.
  • the pressure loss coefficient of the burner is small in relation to the effective flow cross-section, and there is only little flame-stabilizing turbulence in the mixing section, so that a flashback is avoided even at lower flow velocities, e) due to the strong flow delay downstream of the mixing tube it is possible to increase the opening ratio, namely the mixing tube cross section to the proportionate combustion chamber cross section, to values> 4 to at least 10.
  • a substantially shorter combustion chamber can be built with the same dwell time and thus still good burnout, f) that the swirl generator and the fuel injection can be designed in such a way that they can be removed radially outward without lifting off the housing of the gas turbine. This makes it easy to replace swirl generators that need to be replaced and to switch to other fuels or fuel injection systems.
  • Fig. 2 shows a configuration of the built-in swirl generator in perspective
  • Fig. 3 shows another embodiment of a swirl generator.
  • Fig. 1 shows the overall structure of a burner system for operating a combustion chamber.
  • the burner system basically consists of four operating levels, each of which fulfills a specific function and is interdependent in a process flow.
  • the first section consists on the one hand of an inflow cross section 10 for a combustion air flow, in which inflow cross section 10 a swirl generator 100 is arranged.
  • the swirl flow formed in this swirl generator 100 is transferred without separation into a mixing tube 20 using a downstream transition geometry 200.
  • Such a transition geometry 200 is shown and described in the document DE-44 35 266 A1, under FIG. 6, this document forming an integral part of the present description.
  • On the outflow side of the mixing tube 20 there is the actual combustion chamber 30, which here is only symbolized by the flame tube.
  • the mixing tube 20 fulfills the condition that a defined mixing section is provided downstream of the swirl generator 100, in which a perfect premixing of fuels of different types is achieved.
  • This mixing section that is to say the mixing tube 20, furthermore enables loss-free flow guidance, so that no backflow zone can initially form even in operative connection with the transition geometry 200, so that the length of the mixing tube 20 can exert an influence on the quality of the mixture for all types of fuel.
  • this mixing tube 20 also has another property, which consists in the fact that the axial velocity profile in the mixing tube itself has a pronounced maximum on the axis, so that the flame can not be re-ignited from the combustion chamber 30. However, it is correct that with such a configuration this axial speed drops towards the wall.
  • the mixing tube 20 is provided in the flow and circumferential direction with a number of regularly or irregularly distributed bores 21 of various cross-sections and directions through which an amount of air flows into the interior of the mixing tube 20 and along the wall in the In the sense of filming, an increase in the speed prevailing there is induced.
  • Another possibility of achieving the same effect is that the flow cross section of the mixing tube 20 is narrowed on the outflow side of the transition geometry 200, as a result of which the overall speed level within the mixing tube 20 is increased.
  • these bores 21 run at an acute angle with respect to the burner axis 60.
  • the outlet of the transition geometry corresponds to the narrowest flow cross-section of the mixing tube 20.
  • the transition geometry 200 mentioned therefore bridges the respective cross-sectional difference without adversely affecting the flow formed. If the selected precaution triggers an intolerable pressure loss when guiding the pipe flow 40 along the mixing pipe 20, this can be remedied by providing a diffuser, not shown in the figure, at the end of the mixing pipe 20. At the end of the mixing tube 20, the aforementioned combustion chamber 30 on, with a cross-sectional jump between the two flow cross-sections. Only here does a central backflow zone 50 form, which has the properties of a disembodied flame holder.
  • Fig. 2 shows the head stage of the burner.
  • the square inflow cross section 10 and the swirl generator 100 integrated therein are shown here.
  • This inflow cross-section 10 per se forms an autonomous burner unit and, in conjunction with a number of further subordinate inflow cross-sections, an annular combustion chamber, preferably for operating gas turbines, in particular an afterburning chamber, as can be seen from EP-0 620 362 A1, FIG. 5.
  • the inflow cross section 10 has a rectangular shape on the head side the run length of the swirl generator 100 changes into a square cross section.
  • the swirl generator (100) consists of at least two hollow, conical partial bodies 101 nested one inside the other in the direction of flow, the respective axes of longitudinal symmetry of which are offset such that the adjacent walls of the partial bodies 101 have tangential channels 102 in their longitudinal extension for the inflow of the combustion air 115 in have an interior 103 formed by the partial bodies 101. With effect on this interior, at least one fuel nozzle is provided.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a swirl generator, which can easily be integrated into the inflow cross section according to FIG. 2.
  • This swirl generator 150 consists of a central body 151, which has a radial or quasi-radial line 152 for the supply of fuels 153, 154.
  • Individual swirl blades 156 which extend in the axial direction, are anchored on this central body 151.
  • These swirl blades are encased in a jacket-like manner by a pipe 155, which is open at the ends, on the head side for the inflow of the combustion air 115 (see FIG. 1) and on the outflow side for the onward flow of the swirled combustion air (see FIG. 1), with which he differs from that of the swirl generator according to FIG.
  • Liquid fuels 154 are on the top and central resp. quasi-centrally injected 154a; gaseous fuels 153, on the other hand, via a number of openings 153a integrated in the swirl blades 156.
  • the number and degree of swirl of the swirl blades 156 vary depending on the particular requirements of the premixing process.
  • the injection angle of the fuel jet belonging to the fuel nozzle 154a with respect to the axis is preferably approximately set equal to the angle of attack of the swirl vanes 156.
  • the number of injection points is adapted to the burner design, at least one injection per bowl or scoop being provided.
  • combustion airflow swirl generator central body fuel line fuel, gaseous fuel a fuel injection, fuel nozzle fuel, liquid fuel a fuel injection, fuel nozzle tube swirl vane transition piece, transition piece

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Abstract

Bei einem Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, welcher im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom (115) und aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom (115) besteht, ist stromab dieses Drallerzeugers (100) eine Mischstrecke (20) angeordnet, welche Mischstrecke (20) innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Kanäle in einem Übergangsstück (200) zur Überleitung einer im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung in ein stromab dieses Übergangsstück (200) nachgeschaltetes Mischrohr (20) aufweist. Stromab dieses Mischrohres (20) ist ein Brennraum (30) angeordnet. Der Drallerzeuger (100) ist in einen in sich abgeschlossenen und von dem Verbrennungsluftstrom (115) beaufschlagten Einströmungsquerschnitt (10) integriert.

Description

Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Um hohe Wirkungsgrade und hohe Leistungsdichten zu erreichen, wird für moderne Gasturbinen das Prinzip der gestuften Verbrennung eingesetzt. Dabei wird in einer ersten Hochdruck-Brennkammer, vorzugsweise mit Vormischbrennern (Vgl. EP-0 321 809 B1 ) ausgerüstet, ein Heissgas erzeugt, welches nach einer Teilentspannung in einer ersten Hochdruckturbine in eine zweite Brennkammer (Reheat-Brennkammer) strömt, in welcher das teilentspannte Heissgas wieder auf die maximale Turbinen-Eintrittstemperatur erhitzt wird, womit eine solche Gasturbine auf einer sequentiellen Verbrennung basiert. Eine solche Gasturbine geht aus US-5,454,220, US-5,577,378 sowie EP-0 620 362 A1 hervor, wobei diese Druckschriften einen integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung bilden.
Die sogenannte Reheat-Brennkammer weist eine Konfiguration auf, welche in den Druckschriften EP-0 745 809 A1 und EP-0 835 996 A1 näher gezeigt und beschrieben ist, wobei diese Druckschriften ebenfalls einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bilden.
Diese Brennkammer ist von ringförmiger Ausgestaltung, und sie weist im wesentlichen eine Reihe einzelner nebengeordneter Übergangskanäle auf, welche die Einzelbrenner dieser Brennkammer bilden. Diese Einzelbrenner weisen einen nahezu rechteckigen Querschnitt auf, wobei hier die Mischung des Brennstoffes mit dem sauerstoffhaltigen teilentspannten Heissgas, im folgenden Verbrennungsluft genannt, aus der ersten Turbine, über mehrere Längswirbelerzeuger, auch Wirbelgeneratoren genannt, geschieht, welche an den gekühlten Wänden der Mischstrecke angebracht sind und selbst gekühlt werden. Diese Längswirbelerzeuger (Vgl. EP-0 745 809 A1 ) erzeugen auf ihrer Oberfläche eine Strömungsablösung und Umlenkung, die schliesslich zur Ausbildung von Längswirbeln führt. Der rechteckige Mischkanal wird von mehreren dieser Längswirbel nahezu ausgefüllt. Dabei hat es sich gezeigt, dass eine solche Konfiguration bei ganz bestimmten Betriebsarten und Betriebsparametern zu Unvollkommenheiten führen kann: a) Es wird ein erheblicher rückgekühlter Luftmassenstrom zur Kühlung der Mischstrecke und der Längswirbelerzeuger benötigt. b) Die erzeugten Längswirbel können den Strömungsquerschnitt, insbesondere in den Ecken des Rechtecks, nicht vollständig erfassen. c) Bei der Erzeugung der Längswirbel wird in den Ablösegebieten der Längswirbelerzeuger kinetische Energie in Turbulenz dissipiert und nur ein Teil der kinetischen Energie in die Längswirbelbewegung umgesetzt. d) Nach der stufenförmigen Erweiterung in die Brennkammer legt die Strömung sich erst nach einer erheblichen Laufstrecke an die Brennkammerwand an, d.h., es entstehen unerwünschte Totwasser- und Rückströmgebiete nach dem Stufensprung.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art die obenaufgelisteten Unvollkommenheiten zu beheben. Erfindungsgemäss wird die Mischung der Verbrennungsluft, d.h. der teilentspannten Heissgase und Brennstoff, in einer runden Mischstrecke bewerkstelligt, welche Mischstrecke von einem einzigen Drallströmung ausgefüllt ist. Zur Drallerzeugung werden in den nach wie vor rechteckig gehaltenen Eintrittsquerschnitt ein konischer aus mehrerern Teilkörpern bestehender Drallerzeuger oder Drallerzeugerschaufeln eingebaut, welche eine Verdrallung der Verbrennungsluft bilden. Die durch die Drallerzeugerschaufeln gebildeten oder zwischen den einzelnen Teilkörpern des Drallerzeugers vorhandenen Eintrittschlitze sind vorzugsweise von konstanter Schlitzweite, sie können aber entlang ihrer Lauflänge eine variable Schlitzweite aufweisen. Vorzugsweise werden vier Einlassschlitze vorgesehen, wobei aber auch Ausführungen mit einer anderen Schlitzzahl möglich ist. Eine solche Drallerzeugung entspricht weitgehend einer solcher gemäss DE-44 35 266 A1. Ein Unterschied zu dieser Drallerzeugung besteht darin, dass der erfindungs- gemässe Drallerzeuger in einem zunächst rechteckigen Kanal eingebaut ist, wobei dieser über die Lauflänge des Drallererzeugers in einen Kanal mit annähernd quadratischem oder rundem Querschnitt übergeführt wird, wobei auf eine saubere Anströmung der Drallerzeugereintrittsschlitze geachtet werden muss, dies um allenfalls Strömungsablösungen zu vermeiden.
In den Drallerzeuger integriert ist ein Brennstoffverteilsystem für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, wobei die Brennstoffverteilung dabei entlang der Eintrittsschlitze, wie dies aus der letztgenannten Druckschrift hervorgeht, oder durch die Hinterkanten der Drallerzegerschaufeln oder durch axiale Eindüsung des Brennstoffes aus der Schaufeloberfläche heraus erfolgen, wobei hier vornehmlich um die Eindüsung eines nieder- oder mittelkalorischen Brennstoffes (Lbtu, Mbtu) geht. Falls erforderlich kann der Brennstoff von einem kalten Träger- luftstrom oder Inertgasstrom umhüllt werden, um eine frühzeitige Zündung des Brennstoffes zu vermeiden. Flüssige Brennstoffe werden vorteilhaft am stromauf- seitigen Ende des Drallerzeugers durch mehrere Einzelstrahlen eingedüst, wobei sich hier gezeigt hat, dass es äusserst vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Einzel- strahlen mit der Anzahl der Einlassschlitze im Drallerzeuger bzw. der Anzahl der Drallerzeugerschaufeln übereinstimmt.
Auf der Achse des Drallerzeugers befindet sich ein freier Strömungskanal, der verhindert, dass sich im Mischrohr eine Rückströmzone auf der Achse einstellt. Die Zuführ von flüssigem Brennstoff muss also ausserhalb der Achse vorzugsweise durch das oben bereits genannte Mehrfachdüsensystem erfolgen.
Um die Drallerzeugerschaufeln gegen Oxidationsangriffe infolge der heissen Eintrittstemperaturen zu schützen, können diese entweder aus einem keramischen Material hergestellt und/oder mit einer internen Luftkühlung versehen werden. Die Auslegung und Fertigung der luftgekühlten Drallerzeugerschaufeln folgt den aus den gekühlten Turbinenschaufeln bekannten Regeln, die Wärmeübergangszahlen sind allerdings aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu Lauf- oder Leitschaufeln in der Turbine wesentlich geringer.
Nach dem Drallerzeuger wird die Strömung in einem zylindrischen Mischrohr geführt. Der Uebergang vom Drallerzeuger zum Mischrohr ist so auszugestalten, dass die Strömungsquerschnittsfläche nahezu konstant ist und keine Ablösungen auftreten. Das kann entweder durch ein speziell geformtes Uebergangsstück oder durch ein Eintauchen der Drallerzeugerschaufeln in den zylindrischen Kanal geschehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Drallerzeugerschaufeln mit einer freigeschnittenen Hinterkante in axialer Richtung zu versehen. Die Länge des Mischrohres wird dabei so gewählt, dass von der Brennstoffeindüsung bis zum Ende des Mischrohres die Selbstzündzeit der gewählten Brennstoffe nicht überschritten wird. Je nach Baugrösse des Brenners und in Abhängigkeit des gewählten Brennerdruckverlustes kann die Länge der Mischstrecke zwischen Null und zwei Brennerdurchmessern variieren.
Um ein Rückzünden der Flamme in den sich aufbauenden Grenzschichten des Uebergangsstückes und des Mischrohres zu vermeiden, können an geeigneter Stelle Flammenrückzündsperrfilme eingebracht werden. Am stromabseitigen Ende des Mischrohres kann eine verschiedenartig ausgebildete Abrisskante angebracht werden, die über den Condaeffekt aufgrund eines konvex gekrümmten Endteils die Grenzschicht stabilisiert und die gesamte Strömung nach aussen umlenkt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass die Strömung in der Brennkammmer schneller an die Wand anlegt und schneller verzögert wird, so dass sich eine turbulente Flammenfront einstellen kann. Andererseits wird durch die Verzögerung am Ende des Mischrohres ein Teil des dynamischen Druk- kes im Sinne einer Diffusorwirkung zurückgewonnen.
Die Drallstärke kann so stark eingestellt werden, dass stromab der Mischstrecke ein Rückströmgebiet auf der Achse entsteht, vorzugsweise sollte die Drallstärke aber so gross sein, dass die Strömung stromab des Mischrohres innerhalb eines Mischrohrdurchmessers auf der Achse lediglich auf Geschwindigkeiten kleiner der querschnittsgemittelten Brennkammer-Geschwindigkeit verzögert wird. Die bei dieser verlustbehafteten Verzögerung erzeugten turbulenten Geschwindigkeits- Schwankungen dienen der Flammenstabilisierung.
Die Brennstoffzufuhr zum Drallerzeuger geschieht durch einen zur Brennerachse radial verlaufende Brennstoff- und Kühllluftzuführung. Die Drallerzeuger können an der Brennstoffzuführung befestigt werden und mit dieser radial aus der Gasturbine entfernbar sein, ohne dass das Gehäuse abgehoben werden muss.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen,
a) dass durch die erfindungsgemässe Ausführung der Mischstrecke als zylindrisches Rohr die für den Flammenrückschlag empfindliche Oberfläche minimiert wird, dadurch wird die zur Rückschlagsperre und zur Kühlung der Wand benötigte Kühl- und Filmluft reduziert und somit der Gesamtprozess optimiert; b) dass durch die erfindungsgemässe Ausführung der Mischstrecke als zylindrisches Rohr möglich ist, mit einem einzigen Längswirbel die gesamte Mischstrecke optimal auszufüllen; c) dass die Eindüsung des Brennstoffes entlang der Eintrittsschlitze eine gute Feinverteilung ermöglicht, dadurch wird die erforderliche Mischstrecke nach dem Drallerzeuger minimiert; d) dass die Drallerzeugung verlustarm erfolgt, d.h., es werden bei einer erfindungsgemässen Auslegung keine Ablösegebiete und Totaldruckverlustzonen generiert. Dies hat zur Folge, dass der Druckverlustbeiwert des Brenners bezogen auf den effektiven Strömungsquerschnitt klein wird, und in der Mischstrecke nur wenig flammenstabilisierende Turbulenz vorhanden ist, damit wird ein Flammenrückschlag schon bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten vermieden, e) dass durch die starke Strömungsverzögerung stromab des Mischrohres es möglich ist, das Oeffnungsverhältnis, nämlich Mischrohrquerschnitt zu anteiligem Brennkammerquerschnitt, auf werte > 4 bis mindestens 10 zu erhöhen. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Verweilzeit und damit weiterhin gutem Ausbrand eine wesentliche kürzere Brennkammer bauen, f) dass der Drallerzeuger und die Brennstoffeindüsung konstruktiv so ausgestaltet werden können, dass sie ohne abheben des Gehäuses der Gasturbine radial nach aussen ausgebaut werden können. Damit lassen sich auszutauschende Drallerzeuger leicht ersetzen und ein Wechsel auf andere Brennstoffe oder Brennstoffeindüsungssysteme leichter bewerkstelligen.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit der gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Brenner,
Fig. 2 eine Konfiguration des eingebauten Drallerzeugers in perspektivischer Sicht und
Fig. 3 eine weitere Ausführung eines Drallerzeugers.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brennersystems zum Betrieb einer Brennkammer. Das Brennersystem besteht grundsätzlich aus vier Betriebsstufen, welche je eine bestimmte Funktion erfüllen und untereinander in einem interdepen- denten Prozessablauf stehen. Der erste Abschnitt besteht einerseits aus einem Einströmungsquerschnitt 10 für einen Verbrennungsluftstrom, in welchem Einströmungsquerschnitt 10 ein Drallerzeuger 100 angeordnet ist. Die in diesem Drallerzeuger 100 gebildete Drallströmung wird anhand einer stromab angeordneten Uebergangsgeometrie 200 ablösungsfrei in ein Mischrohr 20 übergeführt. Eine solche Uebergangsgeometrie 200 ist in der Druckschrift DE-44 35 266 A1 , unter Fig. 6 gezeigt und beschrieben, wobei diese Druckschrift einen integrierenden Bestandteil vorliegender Beschreibung bildet. Abströmungsseitig des Mischrohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 20 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Uebergangsgeometrie 200 zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 20 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 20 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr selbst das Axialge- schwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer 30 nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 20 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der dort vorherrschenden Geschwindigkeit induziert. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20 abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie 200 eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangsgeometrie dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20. Die genannten Uebergangsgeometrie 200 überbrückt demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 20 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres 20 ein in der Figur nicht näher gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schliesst sich sodann die bereits erwähnte Brenn- kammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strö- mungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen 31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der gesamten zum Betrieb der Brennkammer eingesetzten Luftmen- ge beträgt. Was die nährere Ausgestaltung der Kante am Ende des Mischrohres 20 zur Stärkung der Rückströmzone 50 betrifft, wird auf die Druckschriften DE-195 47 913 A1 , Fig. 7, und DE-196 39 301 A1 , Fig. 8-11 , verwiesen, wobei beide Druckschriften in ihrer Gesamtheit einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden.
Fig. 2 zeigt die Kopfstufe des Brenners. Der viereckige Einströmungsquerschnitt 10 sowie der darin integrierte Drallerzeuger 100 sind hier gezeigt. Dieser Einströmungsquerschnitt 10 bildet an sich eine autonome Brennereinheit und im Verbund mit einer Anzahl weiterer nebengeordneter Einströmungsquerschnitte eine ringförmige Brennkammer, vorzugsweise zum Betrieb von Gasturbinen, insbesondere einer Nachbrennkammer, wie dies aus EP-0 620 362 A1 , Figur Pos. 5, hervorgeht. Der Einströmungsquerschnitt 10 ist kopfseitig von rechteckiger Form, über die Lauflänge des Drallerzeugers 100 geht er in einen quadratischen Querschnitt über.
Die Funktionsweise des hier dargestellten Drallerzeugers 100 lässt sich aus der Beschreibung der Druckschriften DE-44 35 266 A1 , Fig. 2-5; DE-19547 913 A1 , Fig. 2-5; DE-196 39 301 , Fig. 2-5, entnehmen, wobei diese Druckschriften einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bildet.
Kurz umschrieben besteht hier der Drallerzeuger (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern 101 , deren jeweilige Längssymmetrieachse zueinander so versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper 101 in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle 102 für die Einströmung der Verbrennungsluft 115 in einen von den Teilkörpern 101 gebildeten Innenraum 103 aufweisen. Mit wirkung auf diesen Innenraum ist mindestens eine Brennstoffdüse vorgesehen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsart eines Drallerzeugers, welcher ohne weiteres in den Einströmungsquerschnitt gemäss Fig. 2 integriert werden kann. Dieser Drallerzeuger 150 besteht aus einem zentralen Körper 151 , welcher eine radiale oder quasi-radiale Leitung 152 für die Zuführung von Brennstoffen 153, 154 aufweist. Auf diesem zentralen Körper 151 sind einzelne Drallschaufeln 156 verankert, welche sich in axialer Richtung erstrecken. Mantelförmig umschlossen werden diese Drallschaufeln von einem Rohr 155, der endseitig jeweils offen ist, einerseits kopfseitig für die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 (Vgl. Fig. 1 ) und andererseits abflussseitig für die Weiterströmung der verdrallten Verbrennungsluft (Vgl. Fig. 1 ), womit er sich gegenüber der dem Drallerzeuger gemäss Fig. 2, was die Zuströmung der Verbrennungsluft betrifft, unterscheidet. Interdependent zur Verdrallung der Verbrennungsluft 115 wird Brennstoff zugegeben, wodurch hier analog zum Drallerzeuger gemäss Fig. 2, ebenfalls eine erste Vormischung entsteht; die endgültige Vormischung findet dann stromab statt, einerseits entlang der Uebergangsgeometrie (Vgl. Fig. 1 , Pos. 200) und anschliessend innerhalb des Mischrohres (Vgl. Fig. 1 , Pos. 20). Flüssige Brennstoffe 154 werden kopfseitig und zentral resp. quasi-zentral eingedüst 154a; gasförmige Brennstoffe 153 hingegen über eine Anzahl von in die Drallschaufeln 156 integrierten Oeffnungen 153a. Die Anzahl und der Drallgrad der Drallschaufeln 156 variert je nach den jeweiligen Erfordernissen des Vormischprozesses.
Bei einer dezentralen Brennstoffeindüsung 154a des flüssigen Brennstoffes 154 wird der Eindüsungswinkel des zur Brennstoffdüse 154a gehörigen Brennstoffstrahles gegenüber der Achse vorzugsweise annähernd dem Anstellwinkel der Drallschaufeln 156 gleichgesetzt. Mit dieser Vorkehrung wird eine perfekte Vormischung des eingesetzten Brennstoffes gewährleistet, unter Wahrung einer betriebssicheren und optimalen Flammenpositionierung, d.h. eine Anreicherung der zentralen Zone wird damit nachhaltig verhindert, und die Brennstofftropfen sind bei zunehmenden Radius innerhalb der Vormischstrecke eine stärkere radiale Beschleunigung ausgesetzt, dergestalt, dass sie sich in die dort eintretende Verbrennungsluft gut einmischen können.
Bei einem aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger eines Brenners, wie dies beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 oder aus den Drallerzeugern gemäss Fig. 1 (Vgl. die dort angezogenen Druckschriften) hervorgeht, eignet sich gut als Einspritzposition des Brennstoffs die Nachlaufzonen entlang der Leeseite der entsprechenden Schale, bzw. der Leitschaufeln bzw. Der Drallschaufeln eines entsprechend konzipierten Drallerzeugers. Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt, und er wird demensprechend besser radial in die Verbrennungsluft eingemischt.
Die Anzahl der Eindüsungsstellen ist der Brennerbauform angepasst, wobei mindestens eine Eindüsung pro Schale oder Schaufel vorzusehen ist.
Bezugszeichenliste
10 Einströmungsquerschnitt 20 Mischrohr Bohrungen Brennkammer, Brennraum Oeffungen Rohrströmung Rückströmzone, Rückströmblase Brennerachse Drallerzeuger Teilkörper Tangentiale Kanäle Inπenraum Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom Drallerzeuger Zentraler Körper Brennstoffleitung Brennstoff, gasförmiger Brennstoff a Brennstoffeindüsung, Brennstoffdüse Brennstoff, flüssiger Brennstoff a Brennstoffeindüsung, Brennstoffdüse Rohr Drallschaufel Uebergangsstück, Uebergangskanäle, Uebergangsgeometrie

Claims

Patentansprüche
1. Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbren- nungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Kanäle in einem Uebergangsstück zur Überleitung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieses Uebergangsstück nachgeschaltetes Mischrohr aufweist, wobei stromab dieses Mischrohres einen durch eine Querschnittserweiterung gebildeten Brennraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (100, 150) in einen in sich abgeschlossenen und von einem Verbrennungsluftstrom (115) beaufschlagten Einströmungsquerschnitt (10) integriert ist.
2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger
(100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101) besteht, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (102) für die Einströmung des Verbrennungsluftstromes (115) in einen von den Teilkörpern (101 ) gebildeten Innenraum (103).
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Wirkung auf den Innenraum (103) mindestens eine Brennstoffdüse vorhanden ist.
4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper
(101 ) im Querschnitt eine schaufeiförmige Profilierung aufweisen.
5. Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (150) aus einer Anzahl Drallschaufeln (156) besteht, welche in eine abgeschlossene Umhüllung (155) integriert sind.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger Mittel für die Eindüsung (153a, 154a) mindestens eines Brennstoffes (153, 154) aufweist.
7. Brenner nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger mindestens eine kopfseitige Brennstoffdüse (154a) aufweist, und dass die Brennstoffdüse (154a) annähernd nach dem Anstellwinkel der Drallschaufeln (156) gegenüber der Brennerachse (60) gerichtet ist.
8. Brenner nach den Ansprüchen 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Brennstoffdüsen (154a) mindestens der Anzahl der drallbildenden Elemente (101 , 156) des Drallerzeugers (100, 150) entspricht.
9. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzahl der Kanäle im Uebergangsstück (200) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100, 150) gebildeten verdrallten Teilströme entspricht.
10. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmungsquerschnitt (10) von einem kopfseitig rechteckigen Querschnitt über die Lauflänge des Drallerzeugers (100) in einen annähernd quadratischen oder runden Querschnitt übergeht.
11. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmungsquerschnitt (10) Bestandteil einer ringförmigen Brennkammer ist.
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